化肥的大量使用对作物增产发挥了重要作用，是我国粮食安全的重要保障^[1]，但是过量施用化肥及不合理的施用方法导致我国肥料利用率远低于国际水平^[2]，化肥中又以氮肥的问题更为突出，大量氮素通过氨挥发、硝化/反硝化和径流/淋洗等途径进入大气和水体，导致酸雨、地表水富营养化、地下水硝酸盐含量超标及温室效应等一系列环境问题^[1-4]。氮肥深施、分次施氮和测土施肥等农艺措施在提高氮肥利用率和减轻氮素损失方面有较好效果，但受限于农业机械缺乏、农村劳动力短缺及农民对技术的认知和掌握有一定难度，上述农艺措施在实际生产中的推广效果并不理想^[4-5]。

缓控释肥通过调节肥料的释放模式和释放期，较好地解决了速效性化肥养分供应与作物吸收规律不一致导致的肥料利用率低、损失严重等问题，采用一次性施肥更能减少追肥所需的劳动力投入，达到增产增效、省工节肥、减少环境污染等目的^[6-12]，在化肥减量中的效果非常突出^{[8, 10-11, 13-14]}。近年来，通过筛选和研发性能优异的新型缓控释材料、开发自动连续化工艺和装备，缓控释肥产能规模大幅提高，成本逐步走低，同时在应用层面，采用速效、缓效合理混配等方式进一步降低了缓控释肥的使用成本，使其用于低附加值作物的价格障碍被消除^[15]，在农业生产中的应用领域和范围日益扩大^[16-18]，尤其是在粮食作物上的应用已非常普遍^{[17, 19-20]}。

玉米是缓控释肥推广应用的主要农作物之一，对于玉米增产增收、节肥省工、提高氮肥利用率等方面的效果明显^{[11, 19, 21]}，Zheng等^[22]通过定位试验研究发现，一次性施用缓控释肥，玉米产量和氮肥利用率分别提高4.9%~11.1%和36.2%~45.4%，即使减氮30%也不会导致玉米减产。玉米生产中采用缓控释肥与速效氮肥混配的方式，既能有效降低肥料投入成本，又能较好地满足玉米稳产高产的氮素需求^{[19, 20, 23]}，李伟等^[21]研究表明，包膜尿素与普通尿素掺混施用较仅施用普通尿素的夏玉米产量增加2.9%~5.68%，每公顷经济效益增加397~1 294元，氮肥利用率提高2.12~ 14.92个百分点。目前有关玉米施用缓控释肥的研究主要集中在缓控释肥和速效氮肥适宜掺混比例的筛选上^{[19, 21, 23]}，但同时考虑缓控释肥混配比例及适宜施氮量方面的研究较少。为此，本研究拟通过田间小区试验研究包膜尿素和普通尿素不同混配比例及不同施氮量对夏玉米产量、氮肥利用率、施肥经济效益和土壤硝态氮残留的影响，以期为肥料企业产品设计和促进控释肥推广应用提供一定的参考。

1 材料与方法 1.1 试验设计

田间试验在北京市房山区石楼镇二站村进行，夏玉米品种为‘富友9’（青贮），2017年6月28日播种，10月5日收获。供试土壤为褐土，0~20 cm土层理化性状为：铵态氮2.18 mg·kg^-1，硝态氮18.4 mg·kg^-1，速效磷53.6 mg · kg^-1，速效钾140.0 mg · kg^-1，有机质1.18%，pH 8.5，全氮0.99 g·kg^-1。

试验共设6个处理，分别为不施氮对照（CK）、常规施氮（CON）、减氮10%（30%包膜尿素）（90N- 30C）、减氮10%（50%包膜尿素）（90N-50C）、减氮20%（30%包膜尿素）（80N-30C）和减氮20%（50%包膜尿素）（80N-50C）。小区面积40 m²，3次重复，随机区组排列。各处理磷肥和钾肥用量相同，磷肥为普钙，钾肥为氯化钾，试验所用包膜尿素由北京市农林科学院植物营养与资源研究所自制，25 ℃水浸泡条件下氮素累积释放80%所需时间为60 d。常规施氮（普通尿素）处理氮肥40%作基肥、60%在大喇叭口期追施，其他处理N、P、K均在播种前一次性基施，各处理施肥量详见表 1。

1.2 取样与测定方法 1.2.1 土壤速效氮

夏玉米收获后采集0~200 cm土壤样品（每20 cm一层），并在夏玉米主要生育期（苗期、大喇叭口期、抽雄期）取耕层（0~20 cm）土壤，每小区取3个点，同层混合土样。新鲜土样带回实验室后立即过5 mm筛，充分混匀后取20 g放入铝盒中，105 ℃下烘干测定土壤水分，另取12 g鲜土，加入100 mL 0.01 mol·L^-1 CaCl₂浸提液振荡60 min，过滤后采用流动分析仪（Bran Luebbe AA3，德国）测定土壤无机氮（硝态氮和铵态氮）含量。夏玉米收获后土壤剖面100~200 cm残留硝态氮采用如下公式：

式中：C为土壤残留硝态氮，kg·hm^-2；L为每层土壤硝态氮浓度，mg·kg^-1；B为土壤容重，g·cm^-3；T为土层厚度，cm。

1.2.2 田间条件下包膜尿素的溶出过程

包膜尿素在土壤中的释放采用田间埋设肥料网袋的方法进行。准确称量供试包膜肥5.00 g，装入长20 cm、宽5 cm的尼龙网袋内，埋前在网袋内装入100 g表层土与肥料混匀，然后埋入深15 cm土中，共埋18袋，分别在第1、8、23、40、50 d和89 d取样，每次取3袋，用自来水将泥土冲洗干净，自然晾干，用常规方法测定膜内的氮含量^[24]。

1.2.3 产量和氮肥利用率

收获时每小区采40株夏玉米测定质量，并根据每亩（667 m²）玉米株数换算成每公顷产量（生物量）。同时另取5株玉米，测定鲜质量后全株切碎混匀，取分样烘干测定干质量，然后将烘干样粉碎并混匀后取少量混合样，用凯氏定氮法测定样品的全氮含量^[24]，氮肥利用率（NUE）用差减法计算。

NUE=（施氮区作物吸氮量－无氮区作物吸氮量）/施氮量×100%

1.3 数据处理

采用SAS 6.12软件中ANOVA程序对数据进行单因素方差分析，5%显著水平。

2 结果与分析 2.1 包膜尿素田间氮素释放

图 1是包膜尿素在夏玉米生长期间的氮素释放曲线。从图中可以看出，包膜尿素第一天释放率为5.28%，玉米生长期内氮素释放过程近于抛物线，即在前期释放速率较快，40 d内累积释放率接近60%，随后释放速率逐渐变缓。田间条件下累积释放80%所需时间为81 d，与夏玉米99 d生长期仅相差18 d，说明包膜尿素的氮素供应与夏玉米的氮素吸收吻合较好，一次性施肥能满足玉米全生育期的氮素需求。

2.2 产量与氮肥利用率

从表 2可见，施氮显著增加了夏玉米产量（P < 0.05），5个施氮处理较不施氮对照的夏玉米增产18.51%~43.24%，4个包膜尿素和普通尿素混施处理较常规施氮的夏玉米产量更高，增产2.85%~20.87%。其中减氮10%的两个处理增产显著，90N-30C处理的夏玉米产量最高。说明混施氮肥在保证夏玉米增产的条件下具有较好的节肥效果。与产量类似，施氮显著增加了夏玉米植株氮素含量和氮素吸收（P < 0.05），其中混施氮肥处理的夏玉米植株氮素含量和吸氮量又显著高于常规施氮处理，4个混施氮肥处理的氮肥利用率均超过了40%，较常规施氮提高19.1~25.3个百分点（表 2），说明混施氮肥的供氮模式更吻合夏玉米生长期的氮素需求。

2.3 施肥经济效益

2017年青贮夏玉米市场价格0.24元·kg^-1，尿素2 000元·t^-1，包膜尿素3 500元·t^-1，追肥人工费200元·hm^-2，按上述价格计算后，在氮肥用量降低10%~ 20%的情况下，包膜尿素和普通尿素混施均能增产增收，每公顷净收益增加1 000~4 484元，其中减氮10%的增收效果优于减氮20%，30%的包膜尿素混配比例增收效果优于减氮50%（表 3）。虽然包膜尿素价格高于普通尿素，但合理的速效缓效配比降低了不合理的氮肥用量，能较好地控制肥料成本的增幅（如成本最高的90N-50C处理每公顷氮肥投入仅比常规施肥增加225元）。而在产量增加以及减少追肥所需劳动力投入等综合因素的作用下，施用混配氮肥能促进农民增收。另外，在目前我国农村劳动力日渐短缺的情况下，采用一次性施肥方式必然减少农业生产对劳动力的大量需要，降低了劳动力成本，对稳定我国的农业生产、保障国家的粮食安全和农产品有效供给具有重要的现实意义。

2.4 表层土壤无机氮动态变化

夏玉米生育期间各处理表层土壤铵态氮含量均低于8 mg·kg^-1，除了苗期90N-30C处理显著偏高及抽雄期80N-30C处理显著高于90N-30C和90N-50C处理外，其他处理间差异均不显著（图 2）。夏玉米生长期间，土壤硝态氮含量则明显高于铵态氮含量，前者约为后者的3倍（图 2和图 3），这是典型旱地土壤的无机氮形态特征，因为旱地土壤氧化条件有利于硝态氮的形成。4个混施氮肥处理在抽雄前的硝态氮含量始终处于较高水平，总体优于常规分次施氮，主要原因是混施氮肥中包膜尿素在前期释放强度较高（图 1）。在4个混施氮肥处理中，从趋势上看，包膜尿素占比及施氮量越高，硝态氮含量也越高，但处理间差异并不显著。

2.5 土壤剖面硝态氮残留

由图 4可知，各处理不同土层硝态氮含量大多超过10 mg·kg^-1，2 m土层处的硝态氮含量除80N-50C处理外，其他处理均超过10 mg·kg^-1，其中常规施氮最高，达43 mg·kg^-1。与不施氮对照相比，常规施氮在夏玉米生长期间发生了较为明显的硝态氮淋洗，包膜尿素和普通尿素混施则有利于抑制硝态氮向下层土壤迁移，4个混施肥处理总体并未增加100 cm以下的硝态氮浓度，且减氮越多，残留越低。由于夏玉米在100 cm土体以下的根系分布较少，对深层土壤的养分吸收能力较弱，因此100~200 cm土层的残留硝态氮具有较大淋失风险，4个混施氮肥处理100~200 cm土层的土壤残留硝态氮较常规施氮处理显著降低193~315 kg· hm^-2（图 5），降幅35.1%~56.6%，说明混施氮肥抑制硝态氮向土壤深层移动及减轻淋洗损失的效果非常明显。

3 讨论

包膜尿素相比普通尿素的氮素释放缓慢，氮素供应更吻合作物吸氮规律，但单独施用价格仍然偏高^[16]，农民接受意愿不强，尤其是在粮食作物上。为此本研究采用包膜尿素与普通尿素混施的方法，探索出满足夏玉米高产、氮素高效利用、有利于降低硝酸盐残留和淋洗，以及具有较好经济效益的合理混配比例和施氮量。研究结果表明，试验所用包膜尿素在田间的实际释放期为81 d（图 1），基本与夏玉米生长期的氮素需求吻合。相关研究表明，60 d释放期的包膜尿素氮素释放基本与夏玉米生长期吻合，利于夏玉米高产和提高氮肥利用率^{[19, 21]}。包膜尿素与普通尿素混配后一次性施用，相比常规施氮，在减氮情况下夏玉米表现出不同程度增产，其中减氮10%情况下显著增产，氮肥利用率提高19.1~25.3个百分点，这与前人的研究结果^{[22, 25-26]}一致。笔者先前研究表明，包膜尿素在减氮情况下能大幅增产和提高氮肥利用率的主要原因是其氮素释放特征与作物吸氮规律高度吻合^[14]。包膜尿素和普通尿素混施能为玉米生殖器官形态建成的关键时期——孕穗期提供充足的氮素，又能保持生殖生长后期不脱肥，从而保证了玉米高产，提高了氮肥利用率^[21]。

与常规施氮相比，采用包膜尿素与普通尿素混施，在100~200 cm土层累积残留硝态氮减少193~ 315 kg·hm^-2，降幅35.1%~56.6%，且包膜尿素占比越高，残留越少，上述结果除了与减少氮肥用量及提高氮肥利用效率有关外（表 2），包膜尿素持续平稳供氮的特征亦能有效降低硝态氮向深层土壤的迁移和累积^{[20, 27]}。由于玉米根系在100 cm土层以下的深层土壤分布较少^[28]，对硝态氮吸收能力较弱，因此100~ 200 cm土层的残留硝态氮发生淋失的风险很高，而缓控释肥在降低硝态氮淋失风险方面的效果往往优于速效性氮肥^{[8, 13]}。

有关施用缓控释肥的经济效益优于常规施肥的报道较多^{[19, 29-31]}。丁武汉等^[7]在水稻-油菜轮作系统的研究表明，与优化施肥相比，一次性基施控释肥的水稻和油菜每公顷分别增收3 048元和2 220元。本研究采用包膜尿素与普通尿素合理配比、降低氮肥用量和一次性施肥的措施有效控制了氮肥投入成本，在基本不增加氮肥投入的情况下，每公顷净收益增加1 000~4 484元，结果与上述研究类似，其中减氮10%（30%包膜尿素）处理在增收方面的效果最优，包膜尿素30%的混配比例既能满足夏玉米高产的氮素需求，同时还能较好地控制肥料投入成本，从而实现作物增产和农民增收^[32]。总之，缓控释肥在化肥减量和促进农民增收方面的综合效益显著，是控制化肥用量较好的替代技术。

4 结论

（1）与常规分次施氮相比，包膜尿素和普通尿素混配的肥料一次性施用，不仅节省了追肥所需劳动力投入，而且在提高氮肥利用率的同时，实现了夏玉米增产增收，减少了硝态氮在深层土壤的残留量，降低了环境污染风险。

（2）综合来看，包膜尿素占比30%且减氮10%的施氮方案效果最佳。